석영의 특성

하이드록실 함유량

 

Momentive Technologies의 석영 제품은 자사 고유의 전기 용융 공정으로 인해 하이드록실 농도가 매우 낮습니다. “베타 팩터(Beta Factor)”는 용융 석영의 하이드록실(-OH) 함유량을 특징지을 때 종종 쓰이는 용어입니다. IR 투과율에서 하이드록실 함유량을 산출하는 것으로 정의할 수 있습니다.


반응성

 

일반적으로 용융 석영은 상온에서 대부분의 산, 금속, 염소, 브롬과 일절 반응하지 않습니다. 알칼리성 용액으로 다소 손상을 입으며, 용액의 온도와 농도에 따라 반응성이 증가합니다. 인산은 약 150°C의 온도에서 용융 석영을 분해합니다. 온도에 상관없이 용해시키는 것은 플루오르화수소산뿐입니다. 탄소와 일부 금속은 용융 석영을 환원시키며, 염기성 산화물, 탄산염, 황산염 등은 고온에서 반응합니다.

 

차트는 실온하에 플루오르화수소산에서 용융 석영이 용해하는 속도를 보여줍니다.

상당수의 원소 및 화합물은 고온의 진공상태에서만 용융 석영에 영향을 미칩니다. 반응성 표에 정리한 바와 같이, 각 샘플을 최저온도에 1시간 동안 방치한 다음, 그다음으로 낮은 온도에 1시간 동안 두고, 이후 계속해서 온도를 올리는 방식으로 실험했습니다. 물론 반응 정도는 시간에 따라서도 달라집니다.


침투성

 

용융 석영은 기본적으로 대부분의 가스를 투과시키지 않지만 헬륨, 수소, 중수소, 네온은 유리를 통해 확산하기도 합니다. 확산율은 온도와 압력차이가 높을수록 증가합니다.

 

700°C에서 용융 실리카에 대한 예상 침투율 상수

석영을 통한 확산

반도체 분야에서는 석영을 통해 각종 이온을 확산시키는 것이 매우 중요합니다. 첨부한 표에 각종 이온이 다양한 두께의 석영을 통해 확산하는 시간을 기재하였습니다. 이들 산출값은 확산계수와 온도 1000°C를 전제로 합니다.


기계적 성질

 

용융 석영의 기계적 성질은 그 외 유리의 기계적 성질과 거의 동일합니다. 이 소재는 압축 강도가 매우 뛰어나며, 설계 압축 강도는 1.1 x 109Pa(160,000psi) 이상입니다.

 

표면 결함은 유리의 고유 강도를 크게 감소시킬 수 있으므로, 인장 특성은 결함 유무에 영향을 받습니다. 표면 품질에 이상이 없는 용융 석영의 설계 인장강도는 4.8 x 107Pa(7,000psi)를 넘습니다. 일반적으로는 0.68 x 107Pa(1,000psi) 정도의 설계 응력을 권장합니다.

Momentive Technologies의 용융 석영과 합성 용융 실리카의 비교 차트


전기적 성질

 

용융 석영의 전기전도율은 본질적으로 이온성이며 알칼리 이온은 미량으로만 존재하기 때문에, 용융 석영은 전기 절연성과 저손실 유전도 유리로 널리 쓰입니다. 초고온과 각종 주파수대에서도 전기 절연 및 마이크로파 전송 특성을 그대로 유지할 수 있습니다.

 

용융 석영의 일반적인 전기적 성질


광학적 성질

 

투명도는 소재의 순도와 제조법을 반영하기 때문에 광투과 특성으로 유리질 실리카의 종류를 판별할 수 있습니다.

 

UV 차단력과 245nm 및 2.73μm에서의 흡수대 존재 유무를 판별 지표로 삼습니다. UV 차단력 범위는 10mm 두께 시편의 경우 약 155~175nm이며, 순수 용융 석영의 경우 소재 순도에 따라 달라집니다.

 

전이 금속 불순물이 있으면 더 긴 파장에서 차단이 일어나게 됩니다. 필요한 경우, 예를 들어 Momentive Technologies 219™ 용융 석영이라면 Ti를 도핑하여 UV 흡수율을 증가시킬 수 있습니다. 245nm에서 흡수대가 있으면 환원 유리임을 의미하며, 전기 융합으로 제작한 소재를 대표합니다. 유리질 실리카를 화염 용융 또는 합성물질과 같은 “습식” 공정으로 형성한 경우, 통합 구조 하이드록실 이온의 기본진동대는 2.73μm에서 현저하게 흡수율이 상승합니다.

 

UV 차단

 

투과 곡선에서 알 수 있듯이, Momentive Technologies의 214™ 용융 석영은 160nm에서 UV를 차단하고(두께 1mm), 245nm에서 흡수율이 다소 증가하며, 하이드록실 이온으로는 거의 흡수하지 않습니다. 약 100ppm의 Ti를 포함하는 219는 1mm 두께샘플로 약 230nm에서 UV를 차단합니다.

 

높은 IR 투과율

 

IR 에지는 두께 1mm짜리 샘플의 경우 4.5~5.0μm 사이에 위치합니다. Momentive Technologies의 214/124™ 전기 용융 석영은 적외선을 매우 효율적으로 투과시키는 소재입니다. 적외선 투과율은 약 4μm에서 현저하게 높아지며, 2.73μm의 “물 흡수대”에서 다소 증가합니다. 따라서 Momentive Technologies의 전기 용융 석영은 화염 용융 석영(흔히 “습식” 석영이라고도 합니다)과는 다릅니다. 차이는 IR 투과율에서 분명하게 드러납니다.

두께 변환

 

두께 변환 시 다음 식에 대입하여 답을 산출합니다.

 

T = (1−R)2e –at

 

T = 십진수로 표현한 투과율

R = 임의의 표면에 대한 표면 반사 손실률

e = 자연 로그의 밑

a = 흡수계수(cm–1)

t = 두께(cm)


열적 성질

 

용융 석영의 가장 중요한 특성으로 손꼽히는 것은 열팽창 계수가 5.5 x 10–7 /°C(20~320°C)로 매우 낮다는 점입니다. 용융 석영의 열팽창 계수는 구리의 1/34, 붕규산 유리의 1/7에 불과합니다. 따라서 이 소재는 열 변화에 민감하지 않아야 하는 광학 평면, 거울, 용광로 창, 그 외 중요한 광학기기에 매우 유용하게 쓰입니다.

 

이로 인해 열 충격 저항도 극도로 높아집니다. 예를 들어 얇은 부분을 1500°C 이상으로 급격하게 가열하고 물속에 빠뜨려도 유리에는 균열이 가지 않습니다.

온도의 영향

 

용융 석영은 실온에서는 고체 상태지만 고온에서는 그 외 유리와 거동이 같아집니다. 결정질 소재처럼 뚜렷한 융점이 존재하지는 않지만 상당히 넓은 온도 범위에서 부드러워지는 것입니다. 고체였다가 플라스틱과 유사한 거동을 보이는 전이를 변형폭이라 하는데, 이는 온도에 따른 점도의 지속적인 변화로 구별할 수 있습니다.

 

점도

 

점도는 전단 응력에 노출되었을 때 소재의 유동성에 대한 저항 정도를 말합니다. “유동성”의 범위가 매우 넓으므로 점도는 일반적으로 로그로 표현합니다. 점도를 표현하는 일반 유리 용어로는 왜곡점, 서냉점, 연화점을 들 수 있는데, 이들은 다음과 같이 정의합니다.

 

왜곡점: 내부응력이 4시간 동안 실질적으로 완화되는 온도. 1014.5poise의 점도에 해당하며, poise dynes/cm2sec를 말합니다.

 

서냉점: 내부응력이 15분 내에 실질적으로 완화되는 온도. 점도 1013.2poise에 해당합니다.

연화점: 유리가 자체 무게를 이기지 못하고 변형되는 온도. 점도로는 약 107.6poise에 해당합니다. 용융 석영의 연화점은 측정 조건에 따라 달라지는데, 1500°C~1670°C까지 매우 다양합니다.

유리화

 

유리화 와 입자 생성은 용융 석영의 고온 성능을 저해하는 요소입니다. 유리화는 핵 생성과 성장의 2단계로 이루어집니다. 일반적으로 용융 석영의 유리화율 매우 느린데, 이는 크리스토발석상의 핵 생성은 자유 표면에서만 가능하고 결정상의 성장율이 낮기 때문입니다.

 

용융 석영 소재의 핵 생성은 일반적으로 알칼리 원소 및 기타 금속의 표면이 오염되는 것에서부터 시작합니다. 불균일한 핵형성 속도는 화학양론적 석영 소재보다 Momentive Technologies와 같은 비화학양론적 용융 석영에서 더 느립니다.

 

크리스토발석 성장

 

핵 생성 위치에서의 크리스토발석 성장률은 특정한 환경 요인과 소재 특성에 따라 달라집니다. 온도와 석영 점도가 가장 중요한 요인이지만 산소와 수증기 분압과 결정 성장 속도에 영향을 미칩니다. 결과적으로 용융 석영의 유리화율은 하이드록실(-OH) 함유량이 증가하고 점도가 감소하며 온도가 증가하면 증가하게 됩니다. 따라서 Momentive Technologies의 고점도 하이드록실 저함유 용융 석영 소재는 내유리화성이 뛰어나다는 이점을 가지게 됩니다.

 

베타 크리스토발석으로의 상변이는 일반적으로 1000°C 미만에서는 일어나지 않습니다. 이와 같은 변형은 결정학적 역전 온도 범위(약 270°C)에서 열적 순환하는 경우 용융 석영의 구조적 무결성을 저해할 수 있습니다. 역전은 밀도를 크게 변화시키며 박리 및 기계적 고장을 초래하기도 합니다.

 

처짐 저항성

 

용융 석영의 처짐 저항성에 영향을 미치는 가장 중요한 화학적 요인은 하이드록실(-OH) 함유량입니다. Momentive Technologies는 석영의 (–OH) 함유량을 제어하여 고객의 요구 사항을 충족해 드립니다. 고온 반도체 공정에서 쓰이는 튜브의 성능을 최대화하려면 직경과 벽 두께 변화가 미치는 영향을 이해해야 합니다. 한 연구에 따르면 214 LD 용융 석영 튜브를 사용하는 경우 튜브의 벽 두께가 늘어나면 처짐 속도가 감소합니다. 일반적으로 벽 두께가 2배가 되면 처짐 속도는 1/3로 감소합니다. 또한 벽 두께가 고정되어 있으면 튜브의 직경이 줄어들 때 처짐 속도도 함께 감소합니다.


파열 계산

 

튜브 파열 공식

두께 변환 시 다음 식에 대입하여 답을 산출합니다.

 

S = pr/t

 

S = 후프 응력(Pa)

p = 작동압력(Pa)

r = 튜브 내부 반경(mm)

t = 벽 두께(mm)

 

해당 공식은 내부 압력이 7×105Pa(100psi)를 초과하는 경우에는 적용하지 않습니다.

 

디스크 및 플레이트의 파열 공식

 

용융 석영 디스크, 플레이트, 사이트 글래스는 많은 경우 차압 계산이 필수적입니다. 다음 공식은 모서리를 클램핑하거나 하지 않은 원형 부품을 실온에서 사용할 때 적용할 수 있습니다.

p = 차압(Pa)

r0 = 지지하지 않은 디스크의 반경(mm). 플레이트의 경우 r0을 너비로 대체

SMAX = 최대 응력(안전계수 약 7~1) 7.0 x 106Pa

t = 디스크 두께(mm)

 

다만 해당 공식을 대입할 때는 부품의 강도에 영향을 미치는 다음 요인도 고려해야 합니다.

  • 표면이 고광택이고 흠집이 없어야 함
  • 샘플을 압력 장치에 고정하는 수단
  • 사용한 클램핑 소재
  • 표면 전체와 표면 사이의 예상 열 구배
  • 적용할 압력 증가율
  • •시편의 온도

여기를 클릭하면 석영 계산기로 이동합니다.


사용지침

 

용융 석영을 사용할 경우 기술 제품 지원을 받을 수 있는지 반드시 고려해야 합니다. Momentive Technologies는 완벽한 시설을 갖춘 분석/개발 실험실과 고객의 요구에 귀를 기울이는 소재/용융 전문가로 제품을 지원하고 있습니다. 최첨단 분석 장비는 최적의 품질을 보장하며 Momentive Technologies의 석영 제품이 엄격한 산업 표준을 준수하고 인증을 받을 수 있도록 해줍니다.

 

이 웹사이트에 기재한 물리적 성질 및 그 외 정보는 Momentive Technologies의 기술연구소, 교과서, 기술 간행물을 비롯한 여러 출처의 정보를 토대로 작성한 것입니다.

 

Momentive Technologies는 해당 정보를 정확한 것으로 믿고 있으나 이는 철저한 검토를 거친 결과가 아니므로 Momentive Technologies는 정보의 정확성 또는 완전성을 일절 보장하지 않습니다. 고객은 해당 제품이 고객의 요구 사항에 적합한지의 여부를 직접 확인할 필요가 있습니다.

 

용융 석영의 청소

 

  • 해당 제품은 물에 탈지제를 첨가한 탈이온수 또는 증류수로 세척해야 합니다.
  • 용융 석영은 7%(최대) 비플루오르화 암모늄 용액에 10분 이하, 또는 10용적%(최대) 플루오르화수소산 용액에 5분 이하로 담가 세척하도록 합니다.
  • 표면을 에칭하면 표면 오염물질과 소량의 용융 석영과 함께 벗겨집니다.
  • 먼지를 포집하고 이후 가열 시 유리화를 유발할 수 있는 물 얼룩이 생기지 않도록 하려면 용융 석영을 탈이온수 또는 증류수로 여러 차례 헹구고 빠르게 건조시켜야 합니다.
  • 오염 가능성을 줄이기 위해 항상 깨끗한 면장갑을 착용하십시오.

 

용융 석영의 서냉(어닐링)

 

용융 석영은 그 외의 유리질 소재와 마찬가지로 열처리 후에 응력을 받을 수 있습니다. 응력을 받는 것을 막으려면 유리를 적절히 냉각해야 합니다. 서냉의 원리는 다음과 같습니다.

 

  • 응력이 해소되는 지점까지 유리의 온도를 높입니다.
  • 유리 전체가 온도 평형에 이를 때까지 해당 온도를 유지합니다.
  • 유리가 단단해지는 온도까지 서서히 유리를 식힙니다.

 

용융 석영의 서냉률(경험 데이터)

잔류 응력 또는 설계 응력은 용도에 따라 1.7 x 105~20.4 x 105Pa(25~300psi)의 범위일 수 있습니다. 일반적으로 두께가 25mm인 부분은 시간당 최대 100°C까지 냉각이 가능합니다.

 

용융 석영의 취급

 

고온에서 설계 수명에 이를 것으로 여겨지는 소재들과 마찬가지로, 용융 석영 역시 제품의 최대 성능을 끌어내려면 취급 및 사용에 다소간의 주의가 필요합니다.

 

저장

 

  • 응력이 해소되는 지점까지 유리의 온도를 높입니다.
  • 유리 전체가 온도 평형에 이를 때까지 해당 온도를 유지합니다.
  • 유리가 단단해지는 온도까지 서서히 유리를 식힙니다.

 

표면 청결

 

  • 종류를 불문하고 오염물질은 모두 유해합니다.
  • 알칼리성 용액, 염, 증기가 특히 유해합니다.
  • 맨손으로 잡으면 땀으로 인해 알칼리가 침전되어 유리화 시 지문이 선명하게 남게 됩니다.
  • 표면에 맺힌 물방울 방치하면 공기 중 오염물질을 포집하여 투명한 반점과 워터마크를 초래합니다.
  • 표면 오염은 크리스토발석의 핵 생성을 촉진합니다.

 

용융 석영로 튜브의 회전 절차

 

유리화 저항성을 증가시키기 위해 다음의 절차에 따라 확산 튜브에 크리스토발석의 균일한 층을 형성하였습니다.

  • 튜브를 1200°C의 노에 넣고 첫 30시간 동안 2시간마다 90°씩 회전시킵니다.
  • 작업 일정 때문에 해당 절차를 준수할 수 없는 경우 튜브를 1200°C의 노에 넣고 첫 8시간 동안 2시간마다 90°씩 회전시킨 후 로의 작동 온도로 재설정합니다.
  • 이 절차는 로에 적합한 기계적 지지대가 설치되어 있다는 전제하에 고온에서의 처짐을 최소화하여 확산공정용 튜브의 수명을 늘려줍니다.

 

솔라리제이션

 

  • 천연 원료로 제작한 용융 석영에 고에너지 방사선(단자외선, X선, 감마선, 중성자 등)을 장시간 조사하면 노출과다 또는 변색을 일으킵니다.
  • 솔라리제이션에 대한 내성은 용융 석영의 순도에 따라 달라집니다.
  • 합성 용융 실리카는 솔라리제이션에 대한 내성이 높습니다.
  • 용융 석영의 솔라리제이션은 고온에서 가열하는 것으로 열적 표백이 가능합니다.

 

해리

 

  • 용융 석영을 고온(약 2000°C)으로 가열하면 SiO2가 해리 또는 승화됩니다.
  • 일반적으로는 다음과 같이 나타냅니다. SiO2 → SiO + ½O2.
  • 용융 석영으로 화염 작업을 할 경우, 집중적으로 가열한 영역 바로 외부에 연무 또는 연기의 띠가 형성이 됩니다. 이 경우 SiO가 공기(또는 물)의 산소와 재결합해 비정질 SiO2의 미세 입자로 응축되어 연무를 형성하는 것으로 여겨집니다.
  • 산소-수소 화염에서 부드럽게 가열하면 표면에서 연무를 제거할 수 있습니다.
  • 용융 석영을 환원 조건에서 가열하면 해리가 현저하게 향상합니다.

예를 들어 가열 중인 흑연과 근접 또는 접촉하면 SiO2가 빠르게 해리합니다.